CHAPITRE II : Etude du noyau et radioactivité
I. CONSTITUTION DE L’ATOME
La matière qui nous entoure est constituée d’atomes. Le mot atome vient du mot grec atomos, insécable ; quantité de matière infiniment petite. Nous l’avons conservé en dépit du fait que nous savons aujourd’hui qu’un atome se compose de particules encore plus petites. L’atome est constitué de particules élémentaires : le noyau et un cortège électronique
1. Le noyau
Le noyau atomique est composé de neutrons et de protons, ce sont des nucléons. Les protons (notés p) et les neutrons (notés n) ont sensiblement la même masse, mais ils ont une charge différente.
Les caractéristiques du proton Les caractéristiques du neutron
Masse : mp = 1,672×10-27 kg = 1,0073 u.m.a = 1836,1 me.
Charge : qp = +1,602 × 10-19 Coulomb.
Masse : mn = 1,675 ×10-27 kg = 1,0087 u.m.a = 1838,6 me ≅ mp
Charge : qn = 0 Coulomb.
Le noyau étant composé de neutrons et de protons, il est donc chargé positivement. La charge électrique d'un proton est appelée charge élémentaire, on la note e. Avec : e = 1,6 × 10-19 C.
La charge du noyau est égale au nombre de protons Z multiplié par la charge du proton e.
(Qnoyau = Z × e)
2. Le nuage électronique
Le nuage électronique est composé d'électrons, notés e⁻. L'électron est chargé négativement. Masse : me = 9,110 ×10-31kg = 0,00055 u.m.a
Charge : qe = -e = -1,602 × 10-19 Coulomb.
La masse de l'électron est environ 2000 fois plus faible que celle des protons et des neutrons, elle sera souvent négligée.
La charge d'un nuage électronique est égale au nombre d’é Z multiplié par la charge de l’électron (-e) Qnuage = Z × (-e)
3. Représentation du noyau :
Le nombre de protons et neutrons caractérisent un type d’atomes que l’on définit par les valeurs Z : appelé : numéro atomique (le nombre de protons)
A : appelé : nombre de masse (A= Z + N) avec N : nombre de neutrons.
La formule XAZ : représente un nucléide de symbole chimique X.
Un nucléide caractérise l’ensemble des atomes dont le noyau contient le même nombre de protons et le même nombre de neutrons.
Exemple :
La formule 126C: définit le nucléide de carbone, dont le noyau est constitué de 6 protons et 12 – 6 = 6 neutrons.
4. Les isotopes : a) Définition.
La nature d’un élément chimique est définie par le nombre de protons, cependant le nombre de neutrons peut varier dans certaines limites.
Les isotopes sont des nucléides qui possèdent le même numéro atomique Z mais un nombre de masse A différent (un nombre de neutrons différent).
Exemples : 11H, H12 , H13 , 23592U, 23892U
Les noyaux de ces isotopes ont la même charge mais différent par leurs masses. Ces isotopes peuvent être stables ou instables. Les isotopes instables se décomposent plus ou moins vite en donnant d’autres noyaux et en libérant de l’énergie.
b) Abondance isotopique :
L’abondance isotopique d’un isotope particulier dans un échantillon naturel d’atomes appartenant à un élément donné est représentée par la fraction molaire, ou le pourcentage molaire, de cet isotope dans l’échantillon.
% Masse (u.m.a)
1𝐻
1 (ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜𝑔è𝑛𝑒) 99.985 1.007825
1𝐻
2 (𝑑𝑒𝑢𝑡é𝑟𝑖𝑢𝑚) 0.015 2.01402
1𝐻
3 (𝑡𝑟𝑖𝑡𝑖𝑢𝑚) 10-5 3.015496
c) Masse atomique d’un élément
On appelle masse atomique la masse d’un atome. Lorsqu’un élément chimique possède plusieurs isotopes, sa masse est la moyenne pondérée de la masse atomique de ses différents isotopes.
Mi : masse de l’isotope i.
ai : Abondance relative au % de l’isotope = Coefficient de pondération
5. Energie de liaison et de cohésion des noyaux a) Equivalence masse – Energie.
Albert Einstein a postulé en 1905 qu’il existe une équivalence entre la masse et l’énergie. Un système, au repos, de masse m possède une énergie de masse E telle que :
• E = 𝑚. 𝑐2
• E : énergie de masse en joule (J)
• m : masse du système en kilogramme (kg) C : célérité (vitesse) de la lumière dans le vide (m/s)
Si le système (au repos) échange de l’énergie avec le milieu extérieur (par rayonnement ou par transfert thermique par exemple) sa variation d’énergie ΔE et sa variation de masse Δm sont liées par la relation :
∆E = ∆m. c2
• Remarque.
• Si Δm <0 alors ΔE <0 le système fournit de l’énergie au milieu extérieur.
• Si Δm>0 alors ΔE>0 le système reçoit de l’énergie du milieu extérieur.
Chaque fois que de la matière disparaît, de l'énergie apparaît et inversement
b) Défaut de masse d’un noyau
Comparer la masse de la particule α ou noyau d’hélium à la somme des masses de ses nucléons séparés.
Particule 24𝐻𝑒 11𝑝 01𝑛
Masse (u) 4.00105 1.00728 1.00866
𝑚𝑡ℎé𝑜𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 = 𝑍𝑚𝑝+ (𝐴 − 𝑍)𝑚𝑛 = 2(1.00728) + 2(1.00866) = 4.03188 𝑢
La masse d’un noyau au repos (𝑚24𝐻𝑒) est inférieure à la somme des masses des protons et de neutrons ( 𝑚𝑡ℎé𝑜𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒) qui le constitue, cette différence est appelée défaut de masse. La masse d’un noyau est inférieure à la masse de ces nucléons pris séparément.
Unité de masse atomique.
Les masses des particules élémentaires é, p, et n, ne sont pas du tout à notre échelle. On utilise donc une unité de masse différente au kg mais mieux adaptée aux grandeurs mesurées c’est (l’unité de masse atomique ou : u.m.a)
On définit l’unité de masse atomique u.m.a par 1 𝑢. 𝑚. 𝑎 = 1
12 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑑′𝑢𝑛 𝑎𝑡𝑜𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑒 𝐶126
Cherchons la masse d’un atome de carbone 𝑚 𝐶126 𝑁𝐴𝑎𝑡𝑜𝑚𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑒 𝐶126 𝑝è𝑠𝑒𝑛𝑡 → 12 𝑔 1 𝑎𝑡𝑜𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑒 𝑝è𝑠𝑒 →12
𝑁𝐴 𝑚 𝐶126 = 12
𝑁𝐴 1𝑢. 𝑚. 𝑎 = 1
12×12 𝑁𝐴 = 1
𝑁𝐴 𝑔
1 𝑢. 𝑚. 𝑎 = 1.66030 × 10−24 𝑔 = 1.66030 × 10−27 𝐾𝑔
c) Energie de cohésion et énergie de liaison
Energie de cohésion : C’est l’énergie nécessaire à la formation d’un noyau quelconque à partir de ces nucléons (p+n).
∆𝑚 = 𝑋𝐴𝑍 − 𝑍𝑚𝑝+ (𝐴 − 𝑍)𝑚𝑛
∆𝐸 = ∆𝑚 × 𝐶2
Exemple : On considère la réaction de formation de l’hélium He :
2 𝑝11 + 2 𝑛01 → 𝐻𝑒24
∆𝑚 = 𝐻𝑒24 − 2𝑚𝑝+ 2𝑚𝑛 = 4.00105 − 2(1.00728) + 2(1.00866) = −0.03028
Energie de liaison El : est l’énergie qu’il faut fournir au noyau d’un atome, au repos, pour le dissocier en ses nucléons constitutifs (tous les protons et neutrons sont séparés) au repos. Cette grandeur est toujours positive.
Energie de cohésion du noyau = - énergie de liaison noyau.
d) Présentation de diverses unités d’énergie.
eV= électron-volt
1eV= unité d’énergie égale à l’énergie acquise par un électron subissant une variation de potentiel de 1 volt.
Le joule : symbole J.
1ev = 1,6022. 10−19
Unités multiples de l’électron-volt :
1𝑘𝑒𝑣 = 103𝑒𝑣 Le MeV : 1𝑀𝑒𝑣 = 106𝑒𝑣 = 1,6022. 10−13
e) Energie de liaison par nucléon et stabilité
C’est le quotient de son énergie de liaison par le nombre de nucléons. On la note : 𝐸𝛼 =𝐸𝑙
𝐴
𝐸𝛼 : permet de comparer la stabilité des noyaux entre eux.
Les noyaux dont l’énergie de liaison par nucléon est la plus grande sont les plus stables.
La courbe d’Aston représente l’énergie de liaison par nucléons 𝐸𝑙
𝐴 en fonction de A (nombre de nucléons)
• Pour un nombre de nucléons A compris entre 1 et 60, l’énergie de liaison par nucléons augmente, les noyaux deviennent de plus en plus stables.
• Autour de A= 60, la courbe présente un maximum, on trouve dans cette zone les noyaux les plus stables (2656𝐹𝑒)
• Pour A>60, les noyaux sont de moins en moins stables.
• Pour les noyaux légers (Z<20), les noyaux stables ont un nombre de protons égal au nombre de neutrons.
• Un noyau très lourd (A > 100), bombardé par une particule adéquate peut se casser en deux noyaux plus légers : c’est la fission nucléaire.
• Un noyau léger peut donner un noyau plus lourd (possédant une énergie de liaison par nucléon plus grande) : c’est la fusion nucléaire.
II) LA RADIOACTIVITE ET REACTIONS NUCLEAIRES
La radioactivité est un phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux instables se désintègrent en dégageant de l’énergie sous forme de rayonnement pour se transformer en noyaux atomiques plus stables ayant perdu une partie de leur masse.
En 1896, becquerel découvrit la radioactivité par accident, alors qu’il faisait des recherches sur la fluorescence des sels d’uranium, c’est en observant une plaque photographique mise en contact avec le matériau qu’il s’aperçoit qu’elle est impressionnée même lorsque le matériau n’a pas été soumis à la lumière du soleil : le matériau émet son propre rayonnement sans nécessiter une excitation par de la lumière.
On distingue deux types de radioactivités
• Radioactivité naturelle.
• Radioactivité artificielle 1) Radioactivité naturelle
On parle de radioactivité naturelle pour designer la radioactivité due à des sources non produites par les activités humaines. Elle provient principalement :
Des rayons cosmiques (espace, soleil…).
Des substances radioactives présentes dans le sol.
D’éléments radioactifs composant les organes vivants (carbone…).
Cette activité peut prendre trois formes distinctes A. Type de rayonnement
1) La radioactivité alpha α
La radioactivité alpha est une forme de désintégration radioactive où un noyau atomique X éjecte une particule alpha et se transforme en un noyau Y de nombre de masse A diminué de 4 et de numéro atomique Z diminué de 2. Cette désintégration est réservée aux nucléides lourds et est due à un excès de nucléons.
Les particules α ont un pouvoir faiblement pénétrant. Une feuille en papier peut arrêter ces particules.
Exemple
2) La radioactivité 𝜷−
La radioactivité 𝜷−, encore appelée rayonnement 𝜷−, est l’émission d’électrons par certains noyaux.
La désintégration 𝜷− se produit pour des nucléides instables trop riches en neutrons ; elle résulte de la désintégration, dans le noyau, d’un neutron qui se transforme en un proton avec émission d’un électron.
Le pouvoir pénétrant des particules 𝜷− est plus grand que celui des particules 𝛼. Les particules 𝜷− peuvent parcourir quelques mètres dans l’air. Il faut une feuille en aluminium ou une pièce de bois de quelque centimètre d’épaisseur pour bloquer les particules 𝜷− .
3) La radioactivité 𝜷+
La radioactivité 𝜷+ se produit avec des nucléides obtenus artificiellement au laboratoire. C’est pourquoi on la qualifie de radioactivité artificielle, elle est caractéristique des noyaux trop riches en protons. Elle résulte de la désintégration, dans le noyau, d’un proton qui se transforme en un neutron avec émission d’un positron.
4) L’émission 𝜸
L’émission γ est une émission de rayonnements électromagnétiques très énergétiques.
À la suite d’une désintégration ∝, β− ou β+ le noyau fils est émis dans un état excité. Il retrouve son état fondamental en émettant un ou plusieurs photons de haute énergie. Un photon n’a ni charge ni masse au repos ; il est caractérisé par Z = 0 et A= 0.
Le rayonnement est très pénétrant. Il peut traverser plusieurs dizaines de centimètres de plomb, ou plusieurs mètres de béton.
2) La loi de décroissance radioactive :
Les noyaux radioactifs n’ont pas toujours la même capacité de désintégration. Ce qui caractérise la propension d’un nucléide radioactif à se désintégrer, c’est sa constante radioactive λ.
λ représente « la probabilité qu’un noyau se désintègre dans la seconde à venir »
Soit N(t) nombre de radionucléides à l’instant t. le nombre total de désintégration (dN) pendant l’intervalle de temps dt est proportionnelle au nombre de radionucléides de même espèce N présents et à la durée dt de cet intervalle
• 𝑑𝑁 = −𝜆 𝑁 𝑑𝑡 ⇒ 𝑑𝑁
𝑁 = −𝜆 𝑑𝑡
• Le signe – vient de ce que N diminue au cours du temps.
• Le nombre N de noyaux radioactifs décroit exponentiellement avec le temps
3) Demi-vie ou période
Soit une quantité d’un certain élément radioactif ou nucléide radioactif caractérisé par sa constante de désintégration λ. On utilise habituellement une autre caractéristique qui s’appelle période ou demi-vie du nucléide radioactif.
La demi-vie (ou période radioactive) d’un nucléide est l’intervalle de temps au bout duquel la moitié des noyaux initialement présents ont subi une désintégration.
𝑠𝑖 𝑁 =𝑁0
2 𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑡 = 𝑡1
⁄2 (𝑑é𝑓𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝é𝑟𝑖𝑜𝑑𝑒) 𝑙𝑛 𝑁
𝑁0 = −𝜆 𝑡 𝑑𝑜𝑛𝑐 𝑙𝑛 𝑁0
2 𝑁0 = −𝜆 𝑡1
⁄2 𝑙𝑛1
2= −𝜆 𝑡1
⁄2 ⇒ 𝑡1
⁄2 = 𝑙𝑛2 𝜆
Le nombre N de noyaux radioactifs décroit exponentiellement avec le temps
4) Activité radioactive (vitesse de désintégration)
L’activité A à une date t d’un échantillon contenant N noyaux radioactifs est définie comme étant le nombre de noyaux qui se désintègrent par seconde A(t) = −dN
dt
Unité de l’activité radioactive.
Becquerel (Bq) = 1 désintégration /seconde (d.p.s)
Ou : Curies : avec (1Curie) = 37 GBq =37 109 désintégration par seconde 5) La radioactivité artificielle
Certain éléments radioactifs (ou radio-isotopes) sont naturellement présents dans la nature (carbone, potassium, uranium…). Cependant, il est aussi possible de créer artificiellement des éléments radioactifs qui ne se trouvent pas dans la nature, c’est la radioactivité artificielle.
Pour cela, il faut bombarder des atomes naturels avec des protons, neutrons ou des particules α ou β. De cette manière, les atomes de départ sont modifiés.
Ces radioactivités nucléaires artificielles se subdivisent en 3 groupes : a) Transmutation nucléaire.
La transmutation est la transformation d’un élément chimique en un autre par une modification du noyau atomique de l’élément. Ces réactions produisent des nucléides de nombre de masse égal ou très voisin de celui du nucléide qui a servi de cible. Les nucléides formés sont stables ou radioactifs.
b) Réaction de fission
La fission est une réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau atomique lourd se divise en deux fragments, noyaux de masses inférieures, en produisant de l'énergie et quelques neutrons. Les noyaux résultant de la fission sont instables et se désintègrent par radioactivité β.
c) Fusion nucléaire.
C’est une réaction thermonucléaire dans laquelle deux noyaux atomiques légers s’unissent à de très Hautes température et pression pour former un noyau d’un atome plus lourd.
Cette réaction libère une énorme quantité d’énergie.
